複合材料低成本製造的「革新」之路

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近年來，藉助自動導線敷設和膠帶敷設技術和設備，大型複合材料零件已實現低成本生產，顯示出比金屬零件更好的性價比，並在大型飛機零件生產中替代了金屬材料。　　

但是，對於軍用飛機，大約80％的機身重量不到10公斤。由於複合材料僅在生產重量超過10千克的零件時才具有優勢，因此這些小零件中的大多數都是由金屬材料製成的。　　

為了應對這種情況，DARPA於2015年啟動了「適應性原材料和成型」計劃，以實現以不到10千克的重量快速，低成本地生產複合部件，該項目有兩個子項目：一個是材料開發。將開發並完成具有高機械性能和金屬可成形性的普通短纖維材料；第二個是成型生產，波音公司領導了「高速，高性能生產」技術的開發，即RAPM項目，項目結果由波音公司在2019年SAMPE峰會上提出，但正式結果將在2020年秋季公布。　　

RAPM項目由波音公司領導。除航空公司外，與會者還包括材料供應商索爾維複合材料，ATC技術製造商，SGL碳纖維和公司的表面製造。這兩家公司主要與汽車相關。　　

該項目的目的是更好地了解複合材料和工藝的成本狀況，並希望汽車的製造效率能夠滿足飛機的運行要求；波音公司的目標是在30分鐘內控制複合零件的成型時間，並通過有效的工作來降低成本，以達到與鋁合金競爭的目的。。　　

波音公司已經與幾個重要的工業夥伴合作，從三個方面研究了RAPM項目：碳纖維樹脂灌注技術和SGL複合材料，使用Solvay溫度調節預浸料，纖維動力學和Reinhold檢查成型技術，經過ATC和TXV測試的熱塑性成型技術。

該測試分兩個階段進行：第一階段是「生產開發」階段，其中將三個主要過程和三種類型的具有不同形狀的零件（例如面板，肋和C型截面）進行比較，以檢查過程參數；第二階段是「挑戰與轉移」階段，在這個階段中，可以與鋁合金競爭的零件才能達到第一階段的成就。　　

在測試中，波音公司使用了英國一家表面製造公司的PTF，PTF系統的最高溫度為440'28451；壓力為150噸，零件尺寸為750x750x100mm。　

在材料方面，RAPM沒有使用Tuff項目開發的短纖維材料，而是將有機纖維用於汽車和航空的預浸料，環氧樹脂，熱塑性樹脂和短混紡材料，因此研究結果不僅適用於軍事工業，而且適用於軍事工業。到複合材料生產的整個領域。

RAPM試用程序：

第一步：RTM樹脂灌注過程

在第一個過程中，SGL選擇用於汽車的材料，使用hp-rtm和c-rtm工藝確定工藝參數，然後在第一步的基礎上使用低成本LP RTM生產對比凹槽零件，該零件有兩個凹槽：5cm的矩形凹槽和10釐米矩形到VW形狀的過渡溝這部分使用廉價的Raku工具，手柄和鋁合金成型模具。對比零件的測試結果表明，酸洗完成，纖維整齊，質量很高，零件中纖維的體積含量為49.5％，層數僅為目前預浸工藝的1/3，人工減少了90％ 。同時，為了測試模具和工藝的適用性，波音公司還使用樹脂和揮發性纖維通過LP RTM製造對比部件，所有這些部件均通過了無損檢測。

第二步是熱固初始模具

由於溫度調節預成型件在壓力下容易產生皺紋的問題，蘇威已改善了產品性能。為了提高生產效率，索爾維還嘗試使用分批固化方法來最大程度地減少零件在模具上的時間，以使用彈簧框架工具對預成型件施加張力。當零件固化15-30分鐘後，將模具移開，然後進行批量冷卻。根據第一階段的結果，波音公司使用PTF系統和帶有真空和樹脂密封的P20鋼模具來形成波狀部分組，波狀部分的厚度為6.3mm，曲率為12.7mm，並使用中模量碳纖維條方向。零件中的纖維含量為59-63％，孔隙率為0-0.6％。　　

第三步是形成熱塑性筋和C形段

為了解決由於過高的熱塑性成型溫度而導致薄膜不粘附在零件上的問題，波音公司已經測試了一種新型的安全氣囊工具，將安全氣囊安裝在壓力機上並隨壓力機上下移動。安全氣囊中充滿了氬氣並擠壓了零件。經過高溫膨脹後，可幫助在零件上施加水平壓力，並彌補由於不粘箔造成的預製零件的不完全固結，這是波音公司用來生產肋骨預成型坯和剖腹產的方法，最後由ATC創建了皇家分配型坯。

RAPM項目將在2020年底正式結束，到目前為止，根據真實零件研究的結果，三個過程都具有形成小型複合零件的良好能力，並且所得的複合零件可以與鋁合金競爭。成本如圖9所示，與鋁合金相比，樹脂鑄件和熱塑性部件不僅減輕了重量，而且還減少了諸如材料和成型時間之類的周期性成本（與基礎設施不一致的成本無關）。與鋁合金相比，恆溫組件的成本增加了7％，但考慮到重量的減輕，它仍然在設計領域，未來將需要成型和成型時間。　　

當然，實驗中積累了很多經驗和教訓，例如，放置一個墊塊以防止其在壓力過程中滑落的方法，以及優化零件形狀以最大化質量並降低模具成本的方法，同時，設計還展示了兩種減少模具的方法。成本：一種是標準化零件的半徑，曲率和拐角；索爾維目前正在申請「可變壓力隔膜」的專利，該專利可以為預成型坯提供靜壓並縮短固結時間。

如今，複合材料因其良好的機械強度，高溫和耐腐蝕性能而廣泛用於汽車和飛機。但是，由於材料和生產的高成本，複合材料的大量使用遠未到，低成本生產複合材料是進一步擴大應用範圍的一種方式，也是dapp進行設計的初衷。　　

作為RAPM項目的一部分，波音公司探索了幾種通用飛機零件的低成本製造方法，並大膽地改進了該過程，例如，在測試過程中，表面製造公司的PTF用於實現加熱和衝壓自動化並提高生產效率。此外，波音公司在降低生產成本的同時，還改進了工藝以提高零件質量，例如，在熱固性預成型件的生產中，採用了彈簧框架成型技術來防止起皺；熱塑性零件的生產使用新的氣囊模具來提高零件預固結的質量。

本文只是簡單介紹了RAPM的開發過程，詳細的數據和實驗數據還需要進一步披露，目前，所研究的過程仍處於實驗階段，距離工程還有很長的路要走。但是，我們應該注意，降低複合材料的生產成本和替代金屬零件是各方共同努力的方向。我們有理由相信，飛機上更多復材零件取代金屬零件的日子不會太遙遠。

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來源：航空製造網 作者：苗瑋

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